專利名稱：大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅(SiC)陶瓷素坯 的凝膠注模成型工藝，采用該方法可以制備Irn量級(jí)復(fù)雜形狀單塊SiC陶瓷素坯。
背景技術(shù)：
SiC陶瓷是一種比剛度大、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率大、可得到良好拋光表面的陶瓷 材料，因此是一種非常理想的空間用反射鏡基體材料，但大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯制 備十分困難，目前各國(guó)研究者發(fā)展了多種陶瓷成型工藝來制備大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯， 其中凝膠注模成型(gel-casting)工藝作為當(dāng)前最先進(jìn)的陶瓷成型技術(shù)越來越受到人們 的青睞。凝膠注模成型(gel-casting)技術(shù)是由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的M. A. Jenny和 0. 0. Omatete教授等人發(fā)明的繼注漿成型、注射成型之后的又一種新型的近凈尺寸成型工 藝。但該工藝過程存在高固相含量漿料配置困難、漿料凝膠時(shí)間不易控制、脫模干燥難度大 等技術(shù)難點(diǎn)，因此目前尚未見將該工藝用于特大尺寸、復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯制備方面的 報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了采用凝膠注模工藝制備大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯過程中存在的諸 多工藝難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了 Im量級(jí)復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯的制備。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝，包括如下步驟1)預(yù)混液配置在預(yù)混液中加入體積比為10-20%的有機(jī)單體和交聯(lián)劑，單體與 交聯(lián)劑質(zhì)量比為(10-50) 1;加入體積比為1-10%的增塑劑；加入體積比為0.5-5.0%的 鏈轉(zhuǎn)移劑；加入體積比為3-5%的分散劑；2)漿料配置在步驟1)配置的預(yù)混液中分別加入中位徑為0. 5-40 μ m的SiC粉 體，通過機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)初步分散，之后將漿料放入球磨罐進(jìn)行4-6h的充分球磨，配置得到 固相含量為67. 5%，在剪切速率為Ds = 40. 33時(shí)，表觀粘度低于4Pa · s的SiC漿料；3)漿料除泡將步驟2)配置的漿料放入密閉空容器中，待容器中的真空度降至 6X ICT2Pa左右，充分去除漿料中的氣體，避免注漿過程中氣泡進(jìn)入坯體形成缺陷，同時(shí)防止 氧氣對(duì)聚合反應(yīng)的影響；4)引發(fā)劑和催化劑加入待步驟3)的漿料溫度降至15-20°c時(shí)，分別加入4mmol/ L漿料的催化劑和20mmol/L漿料的引發(fā)劑；5)注漿成型將步驟4)加入催化劑和引發(fā)劑后的SiC漿料注入到涂有脫模劑的 特制消失模具中，在30-50°C溫度下促使?jié){料凝膠，室溫下去除消失模即可得到復(fù)雜形狀 SiC陶瓷素坯；6)坯體干燥將步驟5)脫模后的 型坯體放入配置的干燥溶液中充分脫水，之后放入爐體內(nèi)排除坯體中殘余的干燥溶液即可得到干燥素坯；7)、素坯脫脂將步驟6)加工后的素坯放入高溫真空燒結(jié)爐，在Ar氣氛保護(hù)環(huán)境 下緩慢脫脂，最終得到Sic陶瓷素坯，完成大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯的凝膠注模成型工 藝。上述方法使用的有機(jī)單體為丙烯酰胺((^30)冊(cè)2^10，交聯(lián)劑為隊(duì)& -亞甲基雙 丙烯酰胺((C2H3C0NH)2CH2，MBAM)，分散劑為四甲基氫氧化銨(TMAH)，另外加入丙三醇(甘 油)作為增塑劑，避免濕坯干燥開裂，加入異丙醇作為鏈轉(zhuǎn)移劑，用以控制高分子聚合物 的分子量；漿料固化過程使用的引發(fā)劑為過硫酸銨((NH4)2S208，APS)，催化劑為N, N, N'， N'-四甲基乙二胺(TEMED)，所有試劑均采用分析純。本發(fā)明的有益效果在于設(shè)計(jì)了合理的顆粒級(jí)配，選用適量的分散劑，制備得到了 固相含量高達(dá)67. 5%，在剪切速率為Ds = 40. 33時(shí)，表觀粘度低于4Pa s的SiC漿料，既 保證了 SiC顆粒在漿料中實(shí)現(xiàn)較為緊密的堆積，提高了最終燒結(jié)體中SiC的含量，又為反應(yīng) 燒結(jié)過程中液態(tài)Si的滲入提供了微米級(jí)的毛細(xì)管通道；同時(shí)在SiC漿料固化過程中通過對(duì) 漿料溫度、催化劑用量和引發(fā)劑用量三項(xiàng)主要參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了漿料固化時(shí)間的控制，使 之能夠滿足特大尺寸復(fù)雜形狀坯體成型的要求；另外在SiC濕坯干燥過程中引入了一種液 態(tài)干燥工藝，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯各部分緩慢、均勻、一致干燥，防止 由于干燥過快或是干燥不均勻?qū)е屡黧w產(chǎn)生各種缺陷。


圖1為本發(fā)明大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝流程圖。圖2為本發(fā)明的SiC坯體脫脂工藝曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。SiC微粉由山東濰坊華美精細(xì)技術(shù)陶瓷有限公司提供，中位徑d5(l分別為0. 5 y m、 10 y m和40 y m,純度為99. 7 %，制備過程所用各種化學(xué)試劑由北京化學(xué)試劑有限公司提 供，均為分析純。根據(jù)圖1所示的大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝流程圖，具 體實(shí)施例的過程如下將75g丙烯酰胺和5g亞甲基雙丙烯酰胺溶于301. 7ml去離子水中，加入7ml丙三 醇和2ml異丙醇，另外加入14ml的四甲基氫氧化銨將預(yù)混液的PH值調(diào)至11. 5左右。向預(yù)混液中加入2640gSiC微粉，三種粒徑粉體重量比分別為5襯％、30襯％和 65wt%，充分?jǐn)嚢韬笄蚧?h，取出混合均勻的漿料，在真空下除泡lOmin，并將漿料溫度降 至18°C;之后一邊攪拌一邊加入0. 6ml四甲基乙二胺和45. 4ml的10%過硫酸銨溶液，均化 注模后將裝有SiC漿料的模具放入50°C烘箱固化2h。在室溫下除去消失模，將坯體放置于干燥液中24h ；再將濕坯放入干燥箱，80°C除 去干燥液和殘余的微量水分；最終將坯體送入高溫?zé)Y(jié)爐，在Ar氣氛保護(hù)下按照?qǐng)D2的燒 結(jié)工藝脫脂后即可得到SiC素坯。如圖2所示，采用凝膠注模成型工藝制備的大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯中含有的有
4機(jī)物碳化溫度在200-550°C左右，因此脫脂初始階段升溫速度較慢，且在300°C和600°C時(shí) 各有l(wèi)h的保溫段，保證有機(jī)物緩慢碳化，碳化過程產(chǎn)生的氣體能夠逐漸脫離坯體，防止坯 體脫脂過程中產(chǎn)生裂紋。坯體溫度從850°C降到室溫后即可完成大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯 的脫脂。
權(quán)利要求
大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝，其特征在于，該方法包括如下步驟1)預(yù)混液配置在預(yù)混液中加入體積比為10 20％的有機(jī)單體和交聯(lián)劑，單體與交聯(lián)劑質(zhì)量比為(10 50)∶1；加入體積比為1 10％的增塑劑；加入體積比為0.5 5.0％的鏈轉(zhuǎn)移劑；加入體積比為3 5％的分散劑；2)漿料配置在步驟1)配置的預(yù)混液中分別加入中位徑為0.5 40μm的SiC粉體，通過機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)初步分散，之后將漿料放入球磨罐進(jìn)行4 6h的充分球磨，配置得到固相含量為67.5％，在剪切速率為Ds＝40.33時(shí)，表觀粘度低于4Pa·s的SiC漿料；3)漿料除泡將步驟2)配置的漿料放入密閉空容器中，待容器中的真空度降至6×10 2Pa左右，充分去除漿料中的氣體，避免注漿過程中氣泡進(jìn)入坯體形成缺陷，同時(shí)防止氧氣對(duì)聚合反應(yīng)的影響；4)引發(fā)劑和催化劑加入待步驟3)的漿料溫度降至15 20℃時(shí)，分別加入4mmol/L漿料的催化劑和20mmol/L漿料的引發(fā)劑；5)注漿成型將步驟4)加入催化劑和引發(fā)劑后的SiC漿料注入到涂有脫模劑的特制消失模具中，在30 50℃溫度下促使?jié){料凝膠，室溫下去除消失模即可得到復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯；6)坯體干燥將步驟5)脫模后的成型坯體放入配置的干燥溶液中充分脫水，之后放入爐體內(nèi)排除坯體中殘余的干燥溶液即可得到干燥素坯；7)、素坯脫脂將步驟6)加工后的素坯放入高溫真空燒結(jié)爐，在Ar氣氛保護(hù)環(huán)境下緩慢脫脂，最終得到SiC陶瓷素坯，完成大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝。
2.如權(quán)利要求1所述的大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝，其特 征在于，所述有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為四甲基 氫氧化銨，增塑劑為丙三醇，鏈轉(zhuǎn)移劑為異丙醇，引發(fā)劑為過硫酸銨，催化劑為N，N, N'， N'-四甲基乙二胺。
全文摘要
本發(fā)明大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，該方法通過預(yù)混液配置、漿料配置、漿料除泡、引發(fā)劑和催化劑加入、注漿成型、坯體干燥、素坯脫脂七個(gè)步驟，最終得到大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯。本發(fā)明解決了采用凝膠注模工藝制備大尺寸復(fù)雜形狀SiC素坯過程中存在的高固相含量漿料配置困難、漿料凝膠時(shí)間不易控制、脫模干燥難度大等諸多工藝難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了1m量級(jí)復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯的制備。
文檔編號(hào)B28B1/14GK101941231SQ201010276688
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者張舸, 趙文興, 趙汝成 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所